DE1094801B - Schaltungsanordnung zur Vorwahl des Schaltzustandes eines Schaltkreises vor dem Steuern desselben - Google Patents

Description

DEUTSCHES

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Die Erfindung betrifft elektrische Schaltungsanordnungen zur Vorwahl des Schaltzustandes eines Schaltkreises vor dem Steuern desselben, wobei der genannte Schaltkreis aus zwei leitenden Elementen oder Durchgangskörpern aus supraleitfähigen! Material besteht, die mit dem einen Ende an eine gemeinsame Stromquelle und mit dem anderen Ende an je eine induktive Vorrichtung, beispielsweise eine Spule, angeschlossen sind und welche leitenden Elemente von je einem ersten, ein Magnetfeld erzeugenden Leiter gesteuert werden.

Verschiedene supraleitfähige Stoffe sind bekanntgeworden, die zu einer Zustandsänderung aus einem Zustand endlichen elektrischen Widerstandes in einen Zustand mit dem Widerstand Null in der Lage sind. Beispielsweise fällt ein auf 7,2° Kelvin abgekühlter Bleikörper plötzlich auf den Widerstand Null. Die Temperatur, bei der supraleitfähige Stoffe einem solchen Übergang unterliegen, hängt von dem magnetischen Feld um den Stoff herum ab. Die kritische Temperatur von 7,2° K für Blei setzt das magnetische Feld Null voraus. Wenn sich das Feld auf angenähert 800 Oersted erhöht, fällt die Übergangstemperatur nach Null zu ab, und bei Zwischentemperaturen ist ein Feld vorhanden, das bei Überschreitung den Bleikörper veranlaßt, aus dem supraleitenden Zustand in einen Zustand endlichen Widerstandes zu wechseln. Somit gibt es für jede gegebene Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur einen vorbestimmten Wert des Magnetfeldes, oberhalb welchem Blei einen Übergang aus dem supraleitenden Zustand erfährt, und der Übergang zwischen Supraleitung und endlichem Widerstand kann dadurch bewirkt werden, daß das magnetische Feld unter bzw. über den vorbestimmten Wert geändert wird. Oberhalb der kritischen Temperatur kann keine Feldabschwächung die Supraleitung wiederherstellen. Hier wird der Begriff »supraleitfähig« benutzt, um die Fähigkeit des Körpers zum Wechsel zwischen den obenerwähnten Zuständen zu bezeichnen, während »supraleitend« oder »Supraleitung« den Zustand mit dem Widerstand Null bezeichnet.

Vorrichtungen sind hergestellt worden, die einen Tor- oder Durchgangskörper aus supraleitfähigen! Stoff enthalten, um welchen ein Steuerdraht oder andere Leiter gewickelt sind. Wenn der Durchgangskörper in einen stromführenden Stromkreis geschaltet ist, hat er abhängig von seinem Zustand einen endlichen Widerstand oder den Widerstand Null. Der an den S teuer draht gelieferte Strom erzeugt ein Feld in oder rings um den Durchgangskörper, das, falls es den vorbestimmten Wert überschreitet, den supraleitenden Zustand aufhebt und in ausgeprägter Weise die Stromleitfähigkeit des Durchgangskörpers beeinflußt.

S chaltungs anordnung
zur Vorwahl des Schaltzustandes

eines Schaltkreises
vor dem Steuern desselben

Anmelder:
International

Business Machines Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau, Lauterste. 37,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 27,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. Januar 1957

Albert Emest Slade, Cochitaate, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Aufgabe der Erfindung ist die Verwendung eines solchen gesteuerten Durchgangskörpers oder Tores in einer verbesserten Schaltungsanordnung der definierten Art.

Eine Schaltungsanordnung der obigen Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß je ein zweiter Leiter angrenzend an jedes leitende Element in einer solchen Lage angeordnet ist, daß sein Magnetfeld das betreffende leitende Element derart vormagnetisiert, daß die Größe des benötigten Steuerstromes in dem ihm zugeordneten ersten Leiter vermindert wird, und daß die zweiten Leiter von einer anderen Stromquelle als die ersten Leiter gespeist sind.

Wenn der oben beschriebenen Schaltungsanordnung Strom zugeführt wird, nähert sich das von der Vormagnetisierungsvorrichtung gesteuerte Tor dem Übergang vor dem anderen Tor, und beim Wechseln auf den Zustand endlichen Widerstandes behindert es den Strom durch die Steuerwicklung für das andere Tor, wodurch ermöglicht wird, daß das andere Tor supraleitend bleibt. Im Gegensatz dazu bietet das supraleitende Tor den Widerstand Null dem Strom, der durch dieses und die Steuerwicklung für das vor-

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magnetisierte Tor fließt. Infolgedessen wird das vormagnetisierte Tor durch den größeren Strom in seiner Steuerwicklung sogar dann im Zustand endlichen Widerstandes gehalten, wenn die Vormagnetisierung weggenommen wird oder selbst nicht ausreicht, um den Übergang aus der Supraleitung herzustellen.

Zur Veranschaulichung ist eine typische Ausführungsform der Erfindung als Beispiel in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, das die Übergangstemperatur als Funktion der Stärke des an verschiedene supraleitende Körper angelegten Feldes darstellt,

Fig. 2 ein gleichartiges Diagramm, das eine vorbestimmte magnetische Feldstärke veranschaulicht, bei der ein supraleitender Körper zwischen den Zuständen wechselt,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild einer bistabilen Flip-Flop-Schaltung und

Fig. 4 eine isometrische Ansicht einer vormagnetisierten Torvorrichtung.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind verschiedene Elemente zur Supraleitung imstande, abhängig von der Temperatur und dem magnetischen Feld ihrer Umgebung. In dieser Figur sind die Ubergangskurven von Aluminium (Al), Thallium (Tl), Indium (In), Zinn (Sn), Quecksilber (Hg), Tantal (Ta), Vanadium (V), Blei (Pb) und Niobium (Nb) dargestellt. Für jedes dieser Elemente ist die Übergangstemperatur als Funktion des angelegten magnetischen Feldes aufgetragen. Unterhalb der Kurve ist das Element supraleitend, und oberhalb der Kurve hat es einen endlichen Widerstand, der gewöhnlich kleiner als der Widerstand bei Raumtemperatur ist.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Übergangskurve die Grenze zwischen dem supraleitenden Bereich und dem endlichen Widerstandsbereich eines gegebenen Elementes. Für eine gegebene Temperatur Umgebung T' ist ein vorbestimmter magnetischer Feldwert H' an dem Übergangspunkt oder, der Übergangszone vorhanden. Eine Verstärkung des Feldes über den vorbestimmten Wert H' zerstört die Supraleitung, während eine Abschwächung des Feldes unterhalb des vorbestimmten Wertes Supraleitung herstellt.

Die bistabile Flip-Fkjp-Schaltung gemäß der schematischen Fig. 3 umfaßt eine Stromquelle /, die mit Drähten 1 und 2 an supraleitfähige Durchlaßkörper oder Tore Gl und G2 angeschlossen ist. Der Strom zu den Toren ist durch eine Schaltvorrichtung .S" unterbrechbar, die als einfacher Unterbrecher dargestellt ist, aber jede geeignete Stromunterbrechungsvorrichtung sein kann. Die Tore Gl und G 2 haben jeweils eine Steuerwicklung Cl bzw. C2, wobei die Steuerwicklung Cl durch einen Draht 4 in Reihe mit dem Tor G 2 und die Wicklung C 2 durch einen Draht 3 in Reihe mit dem Tor G1 geschaltet ist. Die Steuerwicklungen sind weiterhin über Leiter 5 und 6 und Ausgangs wicklungen C 3 und C 4 an eine Erdrückleitung zu der Stromquelle I angeschlossen. Somit sind zwei Strompfade (der eine durch das Tor CrI und der andere durch das Tor G2) vorhanden.

Wenn Strom von der Quelle / über den Schalter S an die soweit beschriebene Flip-Flop-Schaltung angelegt werden würde, so würde er sich in gleichmäßiger Weise in den Pfaden durch die Tore Gl und C-2 aufzuteilen suchen. Jedoch würde jedes Bestreben in Richtung einer ungleichen Aufteilung, beispielsweise durch eine Verminderung des Stromes durch das Tor Gl, den Strom durch die Steuerwicklung C2 vermindern und den Strom durch die Wicklung Cl erhöhen. Die Stromquelle / und die Induktivität der Wicklungen werden so ausgewählt, daß eine wesentliche Unsymmetrie in der Stromverteilung das Feld. einer Wicklung über den vorbestimmten Übergangswert hinaus für ihr umschlossenes Tor erhöht. Auf diese Weise ergibt sich ein regenerativer Effekt insofern, als das eine Tor in Richtung des Übergangs aus der Supraleitung strebt und vergrößerter Strom in seiner Wicklung von dem anderen Tor das Bestreben

ίο verstärkt und es in einem Zustand endlichen Widerstandes hält, der seinerseits den Strom zu der Wicklung des anderen Tores vermindert, so daß es supraleitend bleibt. Auf diese Weise fließt der in einem Pfad hergestellte Strom in diesem Pfad weiter, bis

is die Betriebsbedingungen geändert werden.

Bei brauchbar aussymmetrierten Stromkreiswerten würde der Strom gleiche Möglichkeit haben, in dem einen oder dem anderen Pfad zu fließen. Jedoch sind in Kombination mit der unterbrechbaren Stromquelle

ao magnetische Vormagnetisierungsvorrichtungen in Form von Leitern Bl und B2, einer Stromquelle i und Schalter SO und Sl vorgesehen. Die Leiter sind angrenzend an die Tore Gl und G2 angeordnet, so daß, wenn einer der Schalter geschlossen ist, ein kleiner Strom durch die Leiter B₁ bzw. B₂ ein kleines Vormagnetisierungsfeld erzeugt, um die Flip-Flop-Schaltung in den Betriebszustand Null (0) (das Tor Gl bietet Widerstand) oder in den Betriebszustand Eins (1) (das Tor G 2 bietet Widerstand) einzustellen.

Wenn der Stromunterbrechungsschalter 5¹ geöffnet und der Schalter SO oder der Schalter Sl geschlossen wird, ist also eine zwangläufige Unsymmetriewirkung in der gewünschten Richtung hergestellt. Das Vormagnetisierungsfeld braucht nicht so stark zu sein, daß es die Supraleitung aufhebt, da, wenn der Schalter 5" dann geschlossen ist, die beschriebene regenerative Wirkung die Flip-Flop-Schaltung in stabile Unsymmetrie in der vormagnetisierten Richtung treibt. Der Zustand Null oder Eins wird zweckmäßigerweise mittels Ausgangstoren G 3 und G4 angezeigt oder abgelesen, die von entsprechenden Wicklungen C 3 und C4 gesteuert werden. Die Wicklungen C3 und C4 liegen in zwei verschiedenen Pfaden der Flip-Flop-Schaltung und legen ein die Supraleitung aufhebendes Feld an das eine oder das andere der Ausgangstore G 3 oder G 4 abhängig davon, welcher Flip-Flop-Pfad offen ist.

Eine typische Flip-Flop-Schaltung Gl-Cl-Sl ist in Fig. 4 dargestellt, in welcher das Tor Gl ein Tantaldraht von angenähert 12,7 mm Länge und 0,23 mm Durchmesser ist. Ein Vormagnetisierungsdraht Bl aus Niobium von 0,076 mm Durchmesser und das Tor Gl sind von einer Wicklung Cl von angenähert 200 Windungen umschlossen. Das Tor und der Vormagnetisierungsdraht und vorzugsweise die Steuerwicklung sind mit einer dünnen Isolierschicht (z. B. 0,0013 mm Emaille) überzogen.

Vorzugsweise bestehen die Verbindungsdrähte 1 bis 6 aus einem supraleitfähigen Material, wie etwa Niobium, das in einem Feld supraleitend bleiben kann, das die Supraleitung in einem Tor mit einer niedrigeren Feld-Temperatur-Kurve zerstört, wie z. B. Tantal. Andere Kombinationen der Tor- und Steuermaterialien ergeben sich aus den Kurven der Fig. 1.

Andere Ausführungsformen von Toren, Steuer- und Vormagnetisierungsvorrichtungen, als dargestellt sind, arbeiten in der beschriebenen Weise. Beispielsweise können die Steuervorrichtung und das Tor durch Aufdampfung auf einem zylindrischen Vormagnetisierungskern überzogen werden, nachdem Isolierzwischen-

schichten aufgebracht sind. Somit umfaßt die Erfindung andere abgeänderte Ausführungsformen und Äquivalente, die in den Rahmen der Ansprüche fallen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Vorwahl des Schaltzustandes eines Schaltkreises vor dem Steuern desselben, wobei der genannte Schaltkreis aus zwei leitenden Elementen oder Durchgangskörpern aus supraleitfähigem Material besteht, die mit dem einen Ende an eine gemeinsame Stromquelle und mit dem anderen Ende an je eine induktive Vorrichtung, beispielsweise eine Spule, angeschlossen sind und welche leitenden Elemente von je einem ersten, ein Magnetfeld erzeugenden Leiter gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß je ein zweiter Leiter angrenzend an jedes leitende Element in einer solchen Lage angeordnet ist, daß sein Magnetfeld das betreffende leitende Element derart vormagnetisiert, daß die Größe des benötigten Steuerstromes in dem ihm zugeordneten ersten Leiter vermindert wird, und daß die zweiten Leiter von einer anderen Stromquelle als die ersten Leiter gespeist sind.

2. Elektrischer Schaltstromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der genannten Tore einen supraleitfähigen Körper aufweist, der durch ein vorbestimmtes magnetisches Feld derart steuerbar ist, daß er zwischen einem Zustand mit dem Widerstand Null und einem Zustand mit endlichem Widerstand wechselt.

3. Elektrischer Schaltstromkreis nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tore und die Steuervorrichtungen zwei Strompfade bilden, von denen der eine Ausgangsvorrichtungen aufweist.

4. Elektrischer Schaltstromkreis nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungsvorrichtung einen elektrischen Leiter und Vorrichtungen zum Anlegen eines Stromes an diesen aufweist, um dadurch ein magnetisches Feld an das von dieser Vormagnetisierungsvorrichtung beeinflußte Tor anzulegen.

5. Elektrischer Schaltstromkreis nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch Schaltvorrichtungen zum Anlegen eines solchen Stromes an die Vormagnetisierungsvorrichtung, daß ein Tor in stabiler Weise in einen Zustand endlichen Widerstandes gebracht wird, wenn Strom auch an die genannten Tore geliefert wird.

6. Elektrischer Schaltstromkreis nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der genannten Tore von einer unabhängig gesteuerten Vormagnetisierungsvorrichtung beeinflußt wird, wodurch eines der Tore in einen stabilen Zustand endlichen Widerstandes gebracht werden kann.

7. Elektrischer Schaltstromkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von der genannten Vormagnetisierungsvorrichtung angelegte magnetische Feld kleiner als das vorbestimmte Feld ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift »Proceedings of the IRE«, April 1956, . 487.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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